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1、药用高分子材料学之药用高分子材料学之甲壳素和壳聚糖及其衍甲壳素和壳聚糖及其衍生物的应用生物的应用 甲壳素和壳聚糖及其衍生物的应用甲壳素和壳聚糖及其衍生物的应用 我国南宋学者朱熹早在我国南宋学者朱熹早在12世纪就提出了世纪就提出了“天天无弃物无弃物”的观点的观点,但长期以来人类开发和利用废弃但长期以来人类开发和利用废弃物等物质资源的广度、深度和有效程度却始终受物等物质资源的广度、深度和有效程度却始终受到科学技术和经济条件的制约到科学技术和经济条件的制约.直至直至1811年年,法国法国人于大自然中最早发现了甲壳素人于大自然中最早发现了甲壳素,之后于之后于1859年年又发现了甲壳素的脱乙酰基产物壳聚
2、糖又发现了甲壳素的脱乙酰基产物壳聚糖一一种唯一的碱性天然多糖种唯一的碱性天然多糖.近几十年来近几十年来,甲壳素和壳甲壳素和壳聚糖已成为日、美等国家的热门研究课题聚糖已成为日、美等国家的热门研究课题.据统计据统计,近十年来日本平均每近十年来日本平均每3天就申请天就申请1项有关甲壳素或项有关甲壳素或壳聚糖的专利壳聚糖的专利.我国从我国从20世纪中期也开始开展有关世纪中期也开始开展有关的研究和产品开发的研究和产品开发,且很快成为生产壳聚糖的主要且很快成为生产壳聚糖的主要国家国家。甲壳素和壳聚糖及其衍生物的应用甲壳素和壳聚糖及其衍生物的应用 壳聚糖壳聚糖(chitosan)(chitosan)是甲壳素
3、是甲壳素(chitin)(chitin)的部分脱乙的部分脱乙酰产物酰产物,也是迄今所发现的唯一天然碱性多糖也是迄今所发现的唯一天然碱性多糖 。甲。甲壳素广泛存在蟹、虾等低等动物以及藻类、真菌等植壳素广泛存在蟹、虾等低等动物以及藻类、真菌等植物中物中,含量极其丰富含量极其丰富,自然界每年产量约在自然界每年产量约在1013 1013 1014 kg,1014 kg,是仅次于纤维素的第二大多糖。壳聚糖近年是仅次于纤维素的第二大多糖。壳聚糖近年之所以引起人们关注之所以引起人们关注,是因为是因为:壳聚糖的生物相容壳聚糖的生物相容性好性好,且能被生物降解且能被生物降解,降解产物无毒性降解产物无毒性;壳聚糖
4、壳聚糖及其衍生物具有许多独特的性质及其衍生物具有许多独特的性质,如对重金属离子的如对重金属离子的螯合性、抗菌性、抗病毒性、抗癌性、促进伤口的愈螯合性、抗菌性、抗病毒性、抗癌性、促进伤口的愈合等等。因此合等等。因此,它在污水处理、贵金属回收、膜分离、它在污水处理、贵金属回收、膜分离、化妆品、抗凝血药物、伤口愈合材料、功能膜材料等化妆品、抗凝血药物、伤口愈合材料、功能膜材料等方面获得了广泛的应用。方面获得了广泛的应用。甲壳素和壳聚糖及其衍生物的应用甲壳素和壳聚糖及其衍生物的应用l中药方面的应用中药方面的应用l西医中的应用西医中的应用l食品上的应用食品上的应用中药方面的应用中药方面的应用1.1.壳聚
5、糖的溶解性能壳聚糖的溶解性能2.2.壳聚糖的安全性壳聚糖的安全性3.3.生物合成与生物降解生物合成与生物降解4.4.壳聚糖在中药提取过程的应用壳聚糖在中药提取过程的应用壳聚糖的溶解性能壳聚糖的溶解性能 壳聚糖不溶于中性与碱性水溶壳聚糖不溶于中性与碱性水溶液以及绝大部分有机溶剂液以及绝大部分有机溶剂,可溶可溶于无机酸和大部分有机酸于无机酸和大部分有机酸,其溶其溶解度取决于它的脱乙酰度与溶液解度取决于它的脱乙酰度与溶液的的pHpH值。一般地说值。一般地说,脱乙酰度越脱乙酰度越高高,其溶解性越好。其溶解性越好。中药方面的应用中药方面的应用1.1.壳聚糖的溶解性能壳聚糖的溶解性能2.2.壳聚糖的安全性
6、壳聚糖的安全性3.3.生物合成与生物降解生物合成与生物降解4.4.壳聚糖在中药提取过程的应用壳聚糖在中药提取过程的应用壳聚糖的安全性壳聚糖的安全性 壳聚糖的急性毒性实验壳聚糖的急性毒性实验,经口腔、皮经口腔、皮下和腹腔给药下和腹腔给药,大黑鼠与老鼠试验证明毒大黑鼠与老鼠试验证明毒性极低。连续投药性极低。连续投药 3 3 个月的亚急性毒性个月的亚急性毒性实验实验,末发现病理异常。对皮肤、黏膜的末发现病理异常。对皮肤、黏膜的刺激性实验及皮肤吸收实验证明刺激性实验及皮肤吸收实验证明,对人类对人类皮肤几乎无刺激、无过敏反应、不经皮肤皮肤几乎无刺激、无过敏反应、不经皮肤吸收。其他实验表明吸收。其他实验表
7、明,壳聚糖不溶血、无壳聚糖不溶血、无热源性、无致突变性、抗原性很低。热源性、无致突变性、抗原性很低。中药方面的应用中药方面的应用1.1.壳聚糖的溶解性能壳聚糖的溶解性能2.2.壳聚糖的安全性壳聚糖的安全性3.3.生物合成与生物降解生物合成与生物降解4.4.壳聚糖在中药提取过程的应用壳聚糖在中药提取过程的应用生物合成与生物降解生物合成与生物降解 壳聚糖在自然界由壳聚糖酶合成壳聚糖在自然界由壳聚糖酶合成,在体内被溶菌酶降解为对人体无毒的在体内被溶菌酶降解为对人体无毒的 N2乙酰氨基葡萄糖乙酰氨基葡萄糖,具有良好的生物具有良好的生物相容性。相容性。中药方面的应用中药方面的应用1.1.壳聚糖的溶解性能
8、壳聚糖的溶解性能2.2.壳聚糖的安全性壳聚糖的安全性3.3.生物合成与生物降解生物合成与生物降解4.4.壳聚糖在中药提取过程的应用壳聚糖在中药提取过程的应用壳聚糖在中药提取过程的应用壳聚糖在中药提取过程的应用l重金属离子去除剂重金属离子去除剂l絮凝澄清剂絮凝澄清剂l壳聚糖在中药新剂型中的应用壳聚糖在中药新剂型中的应用壳聚糖在中药提取过程的应用壳聚糖在中药提取过程的应用 絮凝澄清剂絮凝澄清剂 水提醇沉是中药制药的传统工艺水提醇沉是中药制药的传统工艺,目前依然在一些中药企目前依然在一些中药企业使用。多年来业使用。多年来,人们发现醇沉工艺的一些不足人们发现醇沉工艺的一些不足:如有效成分如有效成分损失
9、严重、成本高、成品稳定性差、生产周期长、劳动强度损失严重、成本高、成品稳定性差、生产周期长、劳动强度高等。醇沉过程对某些药效成分的严重损失高等。醇沉过程对某些药效成分的严重损失,难以保证制剂的难以保证制剂的有效性。例如有效性。例如,多糖是被证明有多种的药效成分多糖是被证明有多种的药效成分,对提高人体对提高人体免疫功能有重要作用免疫功能有重要作用;但在醇沉过程中但在醇沉过程中,大部分的多糖被去除。大部分的多糖被去除。现代中药工艺正研究替代醇沉的去除杂质法。其中现代中药工艺正研究替代醇沉的去除杂质法。其中,絮凝澄清絮凝澄清法是一种有发展前景的有效方法。絮凝澄清法是在中药提取法是一种有发展前景的有效
10、方法。絮凝澄清法是在中药提取液或提取浓缩液中加入一种澄清剂以吸附架桥及电中和方式液或提取浓缩液中加入一种澄清剂以吸附架桥及电中和方式除去溶液中的粗粒子除去溶液中的粗粒子,以达分离纯化的目的。絮凝剂的种类很以达分离纯化的目的。絮凝剂的种类很多多,有鞣酸、明胶、有鞣酸、明胶、10l果汁澄清剂、果汁澄清剂、ZTC澄清剂等澄清剂等,但目前但目前应用最广泛的是壳聚糖澄清剂。应用最广泛的是壳聚糖澄清剂。壳聚糖在中药提取过程的应用壳聚糖在中药提取过程的应用l重金属离子去除剂重金属离子去除剂l絮凝澄清剂絮凝澄清剂l壳聚糖在中药新剂型中的应用壳聚糖在中药新剂型中的应用 壳聚糖在中药新剂型中的应用壳聚糖在中药新剂
11、型中的应用 壳聚糖作为一种新型辅料壳聚糖作为一种新型辅料,已广泛应已广泛应用制剂中用制剂中:可用作片剂的崩解剂或粘合剂可用作片剂的崩解剂或粘合剂,并能减缓药物对胃刺激性并能减缓药物对胃刺激性;可以制备控释剂可以制备控释剂,控制药物释放速度控制药物释放速度,延长有效治疗时间延长有效治疗时间;也也可用作凝胶剂的基质、口腔给药系统的生可用作凝胶剂的基质、口腔给药系统的生物粘附剂、成膜材料和伤口愈合制剂。物粘附剂、成膜材料和伤口愈合制剂。壳聚糖在中药新剂型中的应用壳聚糖在中药新剂型中的应用l片剂辅料片剂辅料 l控释载体材料控释载体材料 l中药复合药膜中药复合药膜壳聚糖在中药新剂型中的应用壳聚糖在中药新
12、剂型中的应用 片剂辅料片剂辅料 壳聚糖作为粉末直接压片的辅料壳聚糖作为粉末直接压片的辅料,具有极其优良的特具有极其优良的特性性。常用辅料。常用辅料(甘露醇、乳糖或淀粉甘露醇、乳糖或淀粉)中加入壳聚糖中加入壳聚糖,可降可降低休止角而改善混合粉末的流动性。将壳聚糖与乳糖、盐低休止角而改善混合粉末的流动性。将壳聚糖与乳糖、盐酸心得安混合直接压片酸心得安混合直接压片,溶出试验结果表明属于零级释放。溶出试验结果表明属于零级释放。壳聚糖如果以高于壳聚糖如果以高于 5%的浓度加入片剂中的浓度加入片剂中,作为崩解剂作为崩解剂,效果优于玉米淀粉和微晶纤维素。壳聚糖的崩解效果取决效果优于玉米淀粉和微晶纤维素。壳聚
13、糖的崩解效果取决于结晶度、脱乙酰度、分子量和颗粒大小。此外于结晶度、脱乙酰度、分子量和颗粒大小。此外,壳聚糖壳聚糖可用于易产生溃疡的药物的给药。事实上可用于易产生溃疡的药物的给药。事实上,多糖在低多糖在低pH形形成凝胶的特性以及它的抗酸性和抗溃疡性成凝胶的特性以及它的抗酸性和抗溃疡性,使壳聚糖可预使壳聚糖可预防某些活性化合物对胃的刺激性。例如防某些活性化合物对胃的刺激性。例如,用壳聚糖制备阿用壳聚糖制备阿司匹林片剂司匹林片剂,可使阿司匹林缓慢释放可使阿司匹林缓慢释放,减少了它对胃的刺减少了它对胃的刺激作用。激作用。壳聚糖在中药新剂型中的应用壳聚糖在中药新剂型中的应用l片剂辅料片剂辅料 l控释载
14、体材料控释载体材料 l中药复合药膜中药复合药膜壳聚糖在中药新剂型中的应用壳聚糖在中药新剂型中的应用 控释载体材料控释载体材料 在制药工业中在制药工业中,壳聚糖的另一用途壳聚糖的另一用途,是用是用于开发药物控释给药系统。壳聚糖具有独于开发药物控释给药系统。壳聚糖具有独特的聚合阳离子特性、胶凝性和成膜性特的聚合阳离子特性、胶凝性和成膜性,在在体内可生物降解体内可生物降解,并具有良好的生物相容性并具有良好的生物相容性,是理想的控释载体材料是理想的控释载体材料,用来控制药物给药用来控制药物给药速度、延长有效治疗作用时间速度、延长有效治疗作用时间,也可能将药也可能将药物向特定的部位进行靶向给药。物向特定
15、的部位进行靶向给药。壳聚糖在中药新剂型中的应用壳聚糖在中药新剂型中的应用l片剂辅料片剂辅料 l控释载体材料控释载体材料 l中药复合药膜中药复合药膜壳聚糖在中药新剂型中的应用壳聚糖在中药新剂型中的应用 中药复合药膜中药复合药膜 壳聚糖中药复合药膜壳聚糖中药复合药膜,运用微乳化技术与微胶运用微乳化技术与微胶囊技术等现代技术囊技术等现代技术,使中药有效成分与壳聚糖结使中药有效成分与壳聚糖结合在一起制成药膜合在一起制成药膜,既保持了壳聚糖本身生物活性既保持了壳聚糖本身生物活性,又使中药有效成分高效、缓释吸收。它具有喷涂又使中药有效成分高效、缓释吸收。它具有喷涂方便、自然成膜、缓释高效、覆盖充分、渗透性
16、方便、自然成膜、缓释高效、覆盖充分、渗透性强、易于吸收、加快溃疡愈合等优势强、易于吸收、加快溃疡愈合等优势,满足了现满足了现代新型敷料设计的基本要求代新型敷料设计的基本要求,是中药外用剂型改是中药外用剂型改革的新领域。革的新领域。西医中的应用西医中的应用1.降脂、降胆固醇和防止动脉粥降脂、降胆固醇和防止动脉粥样硬化样硬化 2.提高机体的免疫能力提高机体的免疫能力3.抗肿瘤作用抗肿瘤作用4.抗菌作用抗菌作用 降脂、降胆固醇和防止动脉粥样硬化降脂、降胆固醇和防止动脉粥样硬化 近些年来近些年来,壳聚糖的心血管保健作用逐壳聚糖的心血管保健作用逐渐被人们所认识渐被人们所认识,主要用于降脂、降胆固醇主要用
17、于降脂、降胆固醇和防止动脉粥样硬化和防止动脉粥样硬化,其机制为壳聚糖在胃其机制为壳聚糖在胃中能与胃酸作用形成凝胶中能与胃酸作用形成凝胶,并进一步吸附甘并进一步吸附甘油三酯、脂肪酸、胆汁酸和胆固醇等形成油三酯、脂肪酸、胆汁酸和胆固醇等形成不溶性的复合物通过消化系统排出体外。不溶性的复合物通过消化系统排出体外。同时同时,壳聚糖及其衍生物壳聚糖及其衍生物(如硫酸酯如硫酸酯)具有抗具有抗氧化活性氧化活性,可直接清除自由基或者抑制自由可直接清除自由基或者抑制自由基的产生基的产生,防止低密度脂蛋白被氧化修饰防止低密度脂蛋白被氧化修饰,减少内皮细胞损伤阻断动脉粥样硬化的形减少内皮细胞损伤阻断动脉粥样硬化的形
18、成。成。甲壳素和壳聚糖及其衍生物的应用甲壳素和壳聚糖及其衍生物的应用l中药方面的应用中药方面的应用l西医中的应用西医中的应用l食品上的应用食品上的应用西医中的应用西医中的应用1.降脂、降胆固醇和防止动脉粥降脂、降胆固醇和防止动脉粥样硬化样硬化 2.提高机体的免疫能力提高机体的免疫能力3.抗肿瘤作用抗肿瘤作用4.抗菌作用抗菌作用 提高机体的免疫能力提高机体的免疫能力 壳聚糖具有一般多糖的共性壳聚糖具有一般多糖的共性,具有具有促进体液免疫和细胞免疫的功能。其机促进体液免疫和细胞免疫的功能。其机制为激活巨噬细胞、制为激活巨噬细胞、T和和 B淋巴细胞、淋巴细胞、NK细胞等细胞等,诱导一些细胞因子如诱导
19、一些细胞因子如IL21、干扰素、巨噬细胞集落刺激因子、肿瘤干扰素、巨噬细胞集落刺激因子、肿瘤坏死因子等产生而调节机体的免疫功能。坏死因子等产生而调节机体的免疫功能。西医中的应用西医中的应用1.降脂、降胆固醇和防止动脉粥降脂、降胆固醇和防止动脉粥样硬化样硬化 2.提高机体的免疫能力提高机体的免疫能力3.抗肿瘤作用抗肿瘤作用4.抗菌作用抗菌作用 抗肿瘤作用抗肿瘤作用 大量研究发现大量研究发现,水溶性的壳寡糖具有明水溶性的壳寡糖具有明显的体内抗肿瘤作用显的体内抗肿瘤作用,其机制认为其机制认为 N2乙酰乙酰氨基葡萄糖或氨基葡萄糖与巨噬细胞表面氨基葡萄糖或氨基葡萄糖与巨噬细胞表面受体结合受体结合,激活巨
20、噬细胞释放白介素激活巨噬细胞释放白介素IL21,同时引起同时引起 T细胞表面白细胞介素细胞表面白细胞介素IL22表达加表达加速速T细胞分化为成熟的细胞毒性细胞分化为成熟的细胞毒性T细胞而产细胞而产生抗肿瘤作用。生抗肿瘤作用。西医中的应用西医中的应用1.降脂、降胆固醇和防止动脉粥降脂、降胆固醇和防止动脉粥样硬化样硬化 2.提高机体的免疫能力提高机体的免疫能力3.抗肿瘤作用抗肿瘤作用4.抗菌作用抗菌作用 抗菌作用抗菌作用 研究表明研究表明,壳聚糖为广谱抑菌剂壳聚糖为广谱抑菌剂,其抗其抗菌机制与其抗肿瘤的机制相似菌机制与其抗肿瘤的机制相似,主要是壳低主要是壳低糖通过激活糖通过激活 T淋巴细胞与巨噬细
21、胞相互加强淋巴细胞与巨噬细胞相互加强的结果。的结果。甲壳素和壳聚糖及其衍生物的应用甲壳素和壳聚糖及其衍生物的应用l中药方面的应用中药方面的应用l西医中的应用西医中的应用l食品上的应用食品上的应用食品上的应用食品上的应用 1.抗菌防腐剂抗菌防腐剂2.增稠剂增稠剂3.抗氧化剂抗氧化剂4.被膜剂被膜剂5.稳定和凝固剂稳定和凝固剂6.乳化剂乳化剂7.甜味剂甜味剂 食品上的应用食品上的应用1.1.抗菌防腐剂抗菌防腐剂 壳聚糖及其衍生物有较好的抗菌活性。壳聚糖及其衍生物有较好的抗菌活性。PapineauPapineau等认为等认为,由于壳聚糖分子的正电由于壳聚糖分子的正电荷和细菌细胞膜上负电荷的相互作用荷
22、和细菌细胞膜上负电荷的相互作用,使使细胞内的蛋白酶和其他成分泄漏细胞内的蛋白酶和其他成分泄漏,从而达从而达到抗菌、杀菌作用。到抗菌、杀菌作用。2.2.增稠剂增稠剂 Tetsuya Tetsuya 等用甲壳素、等用甲壳素、CaCO3 CaCO3 作为日作为日本面条的增稠剂和稳定剂本面条的增稠剂和稳定剂,用量为用量为 014 014%018%018%。Tomohiho Tomohiho 用不溶或低溶解性用不溶或低溶解性的多糖粉末提高凝胶状食品的硬度和弹性。的多糖粉末提高凝胶状食品的硬度和弹性。食品上的应用食品上的应用3.抗氧化剂抗氧化剂 肉类食品中由于含有高含量的不饱和脂类化合物易被肉类食品中由于
23、含有高含量的不饱和脂类化合物易被氧化而使肉类食品腐败变质从而缩短肉制品的贮存寿命氧化而使肉类食品腐败变质从而缩短肉制品的贮存寿命和破坏肉制品的风味。和破坏肉制品的风味。Darmadji 和和 Izumimoto 研究了研究了用壳聚糖处理的牛肉的氧化稳定性效果。结果发现用壳聚糖处理的牛肉的氧化稳定性效果。结果发现,加加入入 1%的壳聚糖的壳聚糖,在在4下贮藏下贮藏 3d牛肉中的硫化巴比土牛肉中的硫化巴比土酸减少酸减少 70%。Shahidi 报道报道 甲基壳聚糖对抑制熟肉的甲基壳聚糖对抑制熟肉的氧化非常有效氧化非常有效,冷藏冷藏 9d 后的熟肉风味几乎不变。他指后的熟肉风味几乎不变。他指出出,甲
24、基壳聚糖及前面提到的壳聚糖衍生物在甲基壳聚糖及前面提到的壳聚糖衍生物在 5003000ppm 之间的抑制氧化效果大。这种抑制氧化作用之间的抑制氧化效果大。这种抑制氧化作用是与肉中自由铁离子和壳聚糖有关的。当肉在热处理过是与肉中自由铁离子和壳聚糖有关的。当肉在热处理过程中程中,自由铁离子便从肉的血红蛋白中释放出来自由铁离子便从肉的血红蛋白中释放出来,并与壳并与壳聚糖螯合形成螯合物聚糖螯合形成螯合物,从而抑制铁离子的催化活性。从而抑制铁离子的催化活性。食品上的应用食品上的应用4.4.被膜剂被膜剂 由甲基纤维素、壳聚糖和防腐剂制得由甲基纤维素、壳聚糖和防腐剂制得的包装膜具有抗微生物活性的功效。的包装
25、膜具有抗微生物活性的功效。5.5.稳定和凝固剂稳定和凝固剂 Takanori Takanori 等将壳聚糖或它的有机酸水等将壳聚糖或它的有机酸水溶液用作蛋黄酱、调味酱、奶油或人造黄溶液用作蛋黄酱、调味酱、奶油或人造黄油的稳定剂油的稳定剂,使这些食品具有较好的味道和使这些食品具有较好的味道和较高的稳定性。较高的稳定性。食品上的应用食品上的应用 6.乳化剂乳化剂 曾名勇等将微晶甲壳素用作冰淇淋乳化剂曾名勇等将微晶甲壳素用作冰淇淋乳化剂,微晶甲壳素制备方法如下微晶甲壳素制备方法如下:小片状甲壳素与小片状甲壳素与 50%浓硫酸以浓硫酸以 1 1015 的比例放入烧杯的比例放入烧杯,搅拌数小搅拌数小时时
26、,滤液稀释数倍滤液稀释数倍,用用NaOH中和中和,室温静置室温静置,离离心过滤心过滤,水洗沉淀物呈中性水洗沉淀物呈中性,干燥后粉碎得微晶甲干燥后粉碎得微晶甲壳素。按以下配方制作冰淇淋壳素。按以下配方制作冰淇淋:稀奶油稀奶油 21125%,鲜牛奶鲜牛奶 50113%,脱脂炼乳脱脂炼乳 13113%,蔗糖蔗糖15%,稳定剂稳定剂 012%,微晶甲壳素微晶甲壳素(乳化剂乳化剂)013%,所制所制得的冰淇淋组织细腻得的冰淇淋组织细腻,泡沫感丰富泡沫感丰富,风味独特。风味独特。食品上的应用食品上的应用7.甜味剂甜味剂 低聚糖是近几年兴起的新的功能性甜低聚糖是近几年兴起的新的功能性甜味剂。甲壳素味剂。甲壳
27、素/壳聚糖的低聚糖不仅有非常壳聚糖的低聚糖不仅有非常爽口的甜味爽口的甜味,而且与其它低聚糖类似,具有而且与其它低聚糖类似,具有以下功能以下功能:能促进肠道有益菌的增殖能促进肠道有益菌的增殖,改善改善肠道微生态环境肠道微生态环境;热量比蔗糖低许多热量比蔗糖低许多,有明有明显的防发胖效果显的防发胖效果;在消化道中不被吸收在消化道中不被吸收,几几乎全部进入肠道乎全部进入肠道,也不增加血中胰岛素水也不增加血中胰岛素水平平,是一种是一种“无糖无糖”之糖之糖。甲壳素和壳聚糖及其衍生物的应用甲壳素和壳聚糖及其衍生物的应用 由于甲壳素和壳聚糖及其衍生物具有由于甲壳素和壳聚糖及其衍生物具有诸多良好特性诸多良好特性,随着研究的进一步深入随着研究的进一步深入,其其应用领域会不断拓展。应用领域会不断拓展。主讲人主讲人 马金平马金平PPT制作者制作者 马金平马金平素材收集人员素材收集人员 龚晟晟龚晟晟 翁巧洁翁巧洁 李建姣李建姣 沈萍萍沈萍萍 徐徐 明明